面向計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育教學(xué)改革

王亞杰+尹航+李飛+王曉巖+郭建新

摘 要：針對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)的落地問題以及部分地方高校應(yīng)用性人才培養(yǎng)的轉(zhuǎn)型問題，提出將計(jì)算機(jī)博弈案例與教學(xué)內(nèi)容深度融合，開展新形態(tài)化的教材建設(shè)和基于計(jì)算機(jī)博弈的科技創(chuàng)新活動(dòng)，結(jié)合沈陽航空航天大學(xué)的教學(xué)實(shí)際，構(gòu)建以計(jì)算思維為主線的寬、專、融相結(jié)合的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程新體系。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；計(jì)算機(jī)博弈；應(yīng)用項(xiàng)目；創(chuàng)新能力

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在人才培養(yǎng)中發(fā)揮著越來越突出的作用。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真（Jeannette M. Wing）教授于2006年提出了計(jì)算思維概念[1]，她認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱教指委）于2010年7月發(fā)表了聯(lián)合聲明[2]，正式提出：要旗幟鮮明地把計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，加強(qiáng)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的研究，要讓學(xué)生像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維。

計(jì)算思維為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)提出了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，有了計(jì)算思維的課程指導(dǎo)思想后，很多教育專家開始研究計(jì)算思維的落地問題[3-5]，專家們普遍認(rèn)為：計(jì)算思維的落地就是如何在計(jì)算機(jī)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法上提高學(xué)生用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的能力，即問題的求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等[6]。基于此，構(gòu)建適合引導(dǎo)和驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)教學(xué)的項(xiàng)目和尋找更能激發(fā)學(xué)生興趣、積極性的案例成為我們必須面對(duì)的問題。

1 計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目是計(jì)算思維培養(yǎng)的重要載體

在2016世界人工智能科學(xué)誕生60周年之際，谷歌公司的AlphaGO圍棋軟件與世界圍棋冠軍李世石上演了“世紀(jì)人機(jī)大戰(zhàn)”。2017年伊始，Master圍棋網(wǎng)測(cè)又取得了60場(chǎng)全勝的戰(zhàn)績(jī)，隨后，卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的Libratus在德州撲克比賽中輪流擊敗了4名頂尖人類高手，人工智能再次引發(fā)了世界范圍內(nèi)的研究與開發(fā)熱潮。目前很多學(xué)者認(rèn)為：人類社會(huì)正在從“互聯(lián)網(wǎng)+”向更高階的“人工智能+”躍遷，智能科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為促進(jìn)所有學(xué)科發(fā)展的重要因素，計(jì)算機(jī)博弈是人工智能領(lǐng)域的重要研究方向[7]。

計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目涉及的方法主要包括：博弈問題的提出、棋盤的數(shù)據(jù)描述、棋面的評(píng)估模型、搜索算法的選擇、算法的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化、人機(jī)交互處理等方面，這些內(nèi)容剛好與計(jì)算思維的思想相一致，非常適合培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

一段時(shí)間以來，學(xué)生網(wǎng)游上癮困惑著家長(zhǎng)和教育工作者，以何種方式引導(dǎo)青年學(xué)生遠(yuǎn)離網(wǎng)游以及網(wǎng)游的魅力一直是不解之謎。而多個(gè)高校的實(shí)踐證明，計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目能迎合青年學(xué)生的愉悅、冒險(xiǎn)、好奇和高對(duì)抗需求，讓他們?cè)诳鞓分蟹治?、編程、斗智，既長(zhǎng)知識(shí)，也長(zhǎng)能力，既培養(yǎng)了計(jì)算機(jī)實(shí)踐與創(chuàng)新能力，也培養(yǎng)了計(jì)算思維、科研思維和團(tuán)隊(duì)合作精神。

學(xué)會(huì)將人的思維過程用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，學(xué)會(huì)處理相關(guān)的問題，學(xué)會(huì)做好最優(yōu)決策，這對(duì)于所有學(xué)生來說都是有助益的。計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的應(yīng)用型項(xiàng)目，更是培養(yǎng)大學(xué)生計(jì)算思維的重要載體。

2 新課程體系與課程內(nèi)容改革

現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系沒有充分考慮計(jì)算思維和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，也沒有突出寬、專、融的教學(xué)特點(diǎn)，并且課程內(nèi)容陳舊。2015年教指委推出了新版的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》（以下簡(jiǎn)稱基本要求）[8]，指出了新的歷史時(shí)期計(jì)算思維能力的培養(yǎng)將成為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的新常態(tài)，對(duì)課程體系、教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容進(jìn)行了全面闡述。

依據(jù)基本要求和部分學(xué)校的改革實(shí)踐[9-10]，提出了適合沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的寬、專、融相結(jié)合的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程新體系（見表1）。新的課程體系以計(jì)算思維為主線，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維意識(shí)、計(jì)算思維方法和計(jì)算思維能力為目標(biāo)，分為3個(gè)層次，每個(gè)層次設(shè)置不同的課程。隨著課程體系的重新構(gòu)建，各類課程的教學(xué)內(nèi)容也重新進(jìn)行了調(diào)整，例如：在第1層次，減少了Office方面的內(nèi)容，增加了動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和Python內(nèi)容；在第2層次，取消了VF內(nèi)容，增加了C#內(nèi)容；在第3層次增加了基于計(jì)算機(jī)博弈的科技創(chuàng)新平臺(tái)的內(nèi)容。

2.1 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程內(nèi)容改革

在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中，主要設(shè)置了4個(gè)模塊：①計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與操作系統(tǒng)；②信息編碼與信息處理技術(shù)；③數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)；④計(jì)算思維、算法與程序設(shè)計(jì)初步。在第4部分中，加入了排序算法、黎曼積分、機(jī)器博弈、旅行商、哥尼斯堡七橋等常用問題的算法。還特別增加了Python語言部分[11]，通過求解三角形面積，引出了順序、選擇和循環(huán)結(jié)構(gòu)的基本用法；通過求解π的值，引出了蒙特卡羅方法和公式方法；通過蟒蛇的繪制，引出了Turtle庫的使用方法。通過以上內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以對(duì)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和利用計(jì)算思維解決問題的方法有一個(gè)初步的了解，初步培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計(jì)的基本能力和計(jì)算思維意識(shí)。

以全面開放的形式設(shè)置了3個(gè)專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：計(jì)算機(jī)拆裝、操作系統(tǒng)安裝和計(jì)算機(jī)組網(wǎng)，通過學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的認(rèn)知能力和計(jì)算機(jī)維護(hù)能力。

2.2 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程內(nèi)容改革

在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程中，本著為專業(yè)服務(wù)、與時(shí)俱進(jìn)的思想，將課程設(shè)置成3個(gè)模塊：C#語言主要面向航空類專業(yè)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班學(xué)生；VB語言主要面向文管類和安全類專業(yè)學(xué)生；C語言主要面向電子、自動(dòng)化、材料、機(jī)械類專業(yè)學(xué)生。在開課過程中允許學(xué)生跨專業(yè)選課，學(xué)生可以選擇更適合自己的語言或多種語言同時(shí)學(xué)習(xí)。

為了突出實(shí)踐能力的培養(yǎng)，課程內(nèi)容中增加了8個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，專門用于綜合性程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)由3～4人組成的小組共同完成。在期初的時(shí)候進(jìn)行動(dòng)員，在期中的時(shí)候布置實(shí)驗(yàn)題目，在期末的時(shí)候進(jìn)行答辯驗(yàn)收。通過綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生初步具備了利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生計(jì)算思維方法和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

2.3 將計(jì)算機(jī)博弈案例與教學(xué)內(nèi)容深度融合

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，將學(xué)生喜歡的計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目作為案例融入教學(xué)中[12-13]，使學(xué)生在興趣與主動(dòng)學(xué)習(xí)中領(lǐng)悟計(jì)算思維。

在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中，講授了計(jì)算機(jī)博弈的發(fā)展與競(jìng)賽概況、計(jì)算機(jī)博弈的空間復(fù)雜度與搜索復(fù)雜度、蒙特卡羅方法等。

在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程中，以具體項(xiàng)目的形式為學(xué)生講授了計(jì)算機(jī)博弈的評(píng)估方法、搜索算法、棋盤的數(shù)據(jù)表示與可視化制作等內(nèi)容。

在計(jì)算機(jī)綜合訓(xùn)練課程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了與計(jì)算機(jī)博弈問題相關(guān)的課設(shè)題目，例如：愛恩斯坦棋的人人對(duì)弈平臺(tái)設(shè)計(jì)、幻影圍棋的開局設(shè)計(jì)、局面評(píng)估的建模方法等。通過博弈案例建模和典型算法設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生掌握使用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決博弈問題的途徑和基本方法，為學(xué)生進(jìn)一步開展計(jì)算機(jī)博弈科技活動(dòng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 新形態(tài)化的教材建設(shè)

團(tuán)隊(duì)人員以《VB程序設(shè)計(jì)教程》為切入點(diǎn)，進(jìn)行了新版教材的建設(shè)。教材的主要特點(diǎn)是新形態(tài)、立體化、數(shù)字化和案例式。除了紙質(zhì)版教材，還在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上發(fā)布了數(shù)字化教學(xué)資源，主要包括教學(xué)課件、案例素材、拓展案例、微視頻、實(shí)驗(yàn)素材、參考資料等，這些資源非常有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)和探究性學(xué)習(xí)。

微視頻資源是針對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)建設(shè)的，每個(gè)微視頻大約3～5min，微視頻的二維碼印制在教材的相應(yīng)章節(jié)上，學(xué)生可以通過手機(jī)掃描訪問，實(shí)現(xiàn)了基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的學(xué)習(xí)方式。微視頻特別適合學(xué)生利用碎片化時(shí)間進(jìn)行輔助式學(xué)習(xí)。

教材中的案例遵循5結(jié)合原則：①與數(shù)學(xué)知識(shí)相結(jié)合。例如：積分計(jì)算、矩陣運(yùn)算、函數(shù)曲線等，都是學(xué)生熟悉的問題。②與趣味性題目相結(jié)合。例如：抽獎(jiǎng)活動(dòng)、分糖果游戲、開心農(nóng)場(chǎng)等，都是學(xué)生喜歡的小項(xiàng)目。③與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。例如：高考錄取、學(xué)生績(jī)點(diǎn)計(jì)算、打氣筒模擬、課堂點(diǎn)名等，都是學(xué)生經(jīng)常面對(duì)的實(shí)際問題。④與專業(yè)知識(shí)相結(jié)合。例如：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，這是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生應(yīng)掌握的典型機(jī)構(gòu)。⑤與計(jì)算機(jī)博弈知識(shí)相結(jié)合。例如：博弈搜索算法、棋盤的可視化設(shè)計(jì)等。通過有興趣的教學(xué)案例引發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)與研究的積極性，也體現(xiàn)了寓教于樂的教學(xué)方式。

4 開展計(jì)算機(jī)博弈科技活動(dòng)

沈陽航空航天大學(xué)從2011年引入計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目以來，團(tuán)隊(duì)人員依托博弈項(xiàng)目，深入開展了寓教于樂、寓教于研、以研促教、以賽促學(xué)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[14]。

1）開展博弈科技研究和“大創(chuàng)項(xiàng)目”工作。

基于計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目，很多老師開展了科技研究，并將科研成果應(yīng)用于教學(xué)中。建立了博弈科研梯隊(duì)，教師既能對(duì)博弈活動(dòng)起到組織、指導(dǎo)和護(hù)航作用，又能在計(jì)算機(jī)博弈的科研中勇攀高峰，形成學(xué)科制高點(diǎn)，為科技攻關(guān)和實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造條件。開展了計(jì)算機(jī)博弈科技社團(tuán)工作，社團(tuán)成員在老師的指導(dǎo)下，既可以參加科研課題，也可以組隊(duì)申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱大創(chuàng)項(xiàng)目）。學(xué)生與老師合作開展科技研究、撰寫論文，形成了良好的學(xué)習(xí)與科研氛圍。

2）開展計(jì)算機(jī)博弈競(jìng)賽工作。

計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目具有喜聞樂見、挑戰(zhàn)無窮的特點(diǎn)，深受學(xué)生喜歡。學(xué)校鼓勵(lì)學(xué)生組成不斷吐故納新的代表隊(duì)，支持學(xué)生參加各類計(jì)算機(jī)博弈競(jìng)賽（校級(jí)、省級(jí)、國家級(jí)和國際級(jí)）。到目前為止，共組織了6屆校級(jí)計(jì)算機(jī)博弈比賽，平均每年參加人數(shù)達(dá)200余人。校賽選拔后組織集訓(xùn)，備戰(zhàn)全國比賽，共組織學(xué)生參加了6屆全國計(jì)算機(jī)博弈大賽和1次國際機(jī)器博弈大賽，營建了良好的校園計(jì)算機(jī)創(chuàng)新文化氛圍。

5 取得的成效

1）學(xué)生課程成績(jī)提升。

以計(jì)算思維為主線的教學(xué)改革方案使學(xué)生受益頗多，每年有4 000名學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)課程，學(xué)生課程成績(jī)提高較大，例如：計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程平均成績(jī)提高15%，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程平均成績(jī)提高10%。在期末對(duì)學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查時(shí)，大部分學(xué)生表示學(xué)習(xí)收益較大，對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的理解和利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決問題的能力都有較大提升。

2）學(xué)生競(jìng)賽成績(jī)優(yōu)異。

隨著研發(fā)能力的不斷增強(qiáng)，學(xué)生參加的計(jì)算機(jī)博弈競(jìng)賽項(xiàng)目也越來越多，現(xiàn)已達(dá)到12項(xiàng)，包括六子棋、點(diǎn)格棋、蘇拉卡爾塔棋、亞馬遜棋、幻影圍棋、不圍棋、愛恩斯坦棋、軍棋、國際跳棋、?？怂蛊?、斗地主、橋牌。近幾年累計(jì)獲省級(jí)以上獎(jiǎng)項(xiàng)100余項(xiàng)，累計(jì)獲冠亞季軍20項(xiàng)，其中幻影圍棋、亞馬遜棋、軍棋、六子棋項(xiàng)目都曾獲得過全國冠軍獎(jiǎng)項(xiàng)，總體競(jìng)賽成績(jī)位居全國前幾名，既提高了大學(xué)生的計(jì)算機(jī)創(chuàng)新能力，也促進(jìn)了我國計(jì)算機(jī)博弈事業(yè)的發(fā)展，在國內(nèi)高校中產(chǎn)生了較好影響。

3）學(xué)生科技成績(jī)突出。

基于計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目，學(xué)生與老師合作在CCDC國際會(huì)議的機(jī)器博弈（Computer Game）專題上已發(fā)表論文25篇，表2是發(fā)表的部分學(xué)術(shù)論文。學(xué)生在老師的指導(dǎo)下申報(bào)了大創(chuàng)項(xiàng)目30多項(xiàng)，表3是部分大創(chuàng)項(xiàng)目。

6 結(jié) 語

計(jì)算思維的理論研究在我國已經(jīng)走過了6年多，現(xiàn)在應(yīng)該是全面落地的時(shí)候。我們本著與時(shí)俱進(jìn)、為專業(yè)服務(wù)的指導(dǎo)思想，調(diào)整了各門課程的教學(xué)內(nèi)容，引入了Python、C#等程序設(shè)計(jì)語言，將學(xué)生喜歡的計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目作為教學(xué)案例與課程內(nèi)容深度融合，實(shí)現(xiàn)了競(jìng)賽與教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)新模式。計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目具有喜聞樂見、挑戰(zhàn)無窮的特點(diǎn)，特別能引發(fā)青年學(xué)生的好奇心與研究熱情，廣泛開展基于計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目的科技與競(jìng)賽活動(dòng)，較好地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和科研思維。計(jì)算機(jī)博弈項(xiàng)目是非常好的培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要載體。筆者希望本文能對(duì)高校的計(jì)算機(jī)教學(xué)提供一種參考，更希望計(jì)算機(jī)博弈能在更多的高校生根、發(fā)芽、開花和結(jié)果。

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（見習(xí)編輯：景貴英）